科学家们刚刚制造出如此精确的振动，以至于可以识别单个分子

景点排名 2025年08月17日 22:41 0 aa

美国莱斯大学研究团队在量子物理领域取得重大突破，他们成功创造了前所未有的声子干涉效应，其强度比此前任何报告高出两个数量级。这项发表在《科学进展》期刊上的研究展示了如何利用材料中的量子振动来检测单个分子，为下一代超精密传感器、量子计算设备和热能管理技术奠定了基础。

声子是固体材料中原子振动的量子化表现，类似于光的光子概念。虽然声子在物理学中并非新概念，但其在量子干涉现象中的应用一直未得到充分开发。与光波或电子波类似，声子也可以发生相互干涉，产生增强或抵消效应，但此前科学家对这种现象的控制能力极其有限。

创新材料结构实现量子突破

科学家破纪录地揭示了能够探测单分子的量子振动，为下一代传感器和设备铺平了道路。图片来源：AI/ScienceDaily.com

莱斯大学团队的突破在于设计出一种独特的三层"量子三明治"结构。研究人员采用限制异质外延技术，在石墨烯层与碳化硅基底之间精确插入了仅几个原子厚度的银层。这种精密的分层结构创造了一个具有卓越量子特性的界面，使得不同频率的声子能够发生强烈的相互作用。

该研究的第一作者、莱斯大学前博士后研究员张昆彦解释了这一设计的关键意义："二维金属层的引入显著增强了碳化硅中不同振动模式之间的干涉强度，达到了前所未有的水平。这种效应的强度比传统方法高出两个数量级，为我们提供了控制量子振动的全新工具。"

研究团队通过拉曼光谱技术观察到了这种强烈干涉的直接证据。在光谱分析中，声子信号呈现出明显的不对称线型，在某些条件下甚至出现完全的信号抑制，形成了法诺共振的典型特征。这种现象表明声子之间发生了强烈的量子干涉，其效果远超此前在类似系统中观察到的现象。

单分子级别的检测精度

最令人瞩目的发现是该系统对微小变化的极端敏感性。当研究人员在碳化硅表面引入单个染料分子时，拉曼光谱的线型发生了可检测的显著变化。这种敏感度达到了单分子检测的水平，而且无需使用荧光标记或其他复杂的标识方法。

通讯作者、莱斯大学副教授黄胜熙强调了这一突破的技术意义："与传统传感器相比，我们的方法不仅灵敏度更高，而且无需特殊的化学标签或复杂的设备设置。这为分子级传感技术开辟了全新的可能性。"

研究团队通过对比三种不同碳化硅表面端面的实验结果，验证了该效应与表面结构的密切关系。每种表面都产生了独特的拉曼谱线形状，证明了系统对原子级结构变化的高度敏感性。更重要的是，低温实验证实了观察到的干涉现象完全源于声子相互作用，而非电子效应，这标志着一种罕见的纯声子量子干涉现象的实现。

广阔的应用前景

这项研究的意义远远超出了基础物理学范畴。声子的一个重要优势是其波动性质能够长时间保持稳定，这使得基于声子的设备具有更高的稳定性和性能。研究团队已经开始探索使用其他二维金属如镓或铟来诱导类似效应的可能性，这为设计具有定制量子特性的器件接口提供了新思路。

在实际应用方面，这种技术有望在多个领域产生革命性影响。在生物医学领域，单分子检测能力可以大幅提升疾病早期诊断的精度和速度。在环境监测方面，极高的检测灵敏度能够实现对痕量污染物的精确识别。在量子计算领域，稳定的声子干涉效应可能成为构建新型量子器件的基础。

此外，该技术在能量收集和热管理方面也显示出巨大潜力。通过精确控制声子的行为，研究人员可能开发出更高效的热电转换设备，或设计出具有特定热传导性质的材料。这对于解决电子设备的散热问题以及提高能源利用效率具有重要意义。

值得注意的是，这种效应仅在研究中使用的特定二维金属/碳化硅体系中观察到，在传统的块体金属中并不存在。这一特殊性源于原子级薄金属层所创造的独特电子结构和界面特性，突显了纳米尺度材料工程的重要性。

随着对声子量子干涉机制理解的深入和制备技术的进步，这项技术有望在未来几年内从实验室走向实际应用。它不仅为基础科学研究提供了新的工具，更为开发下一代高精度传感器、量子器件和智能材料奠定了坚实的技术基础。

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